Лекция 15. ПАССИВНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЙ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ СМЕЖНЫЕ ЛИНИИ

15.1. Относ смежных линий от электрифицированной железной дороги и применение кабельных линий

Самая простая идея по снижению влияний очевидна - отнести смежную линию подальше от железной дороги. Увеличение ширины сближения уменьшает электрическую и магнитную связь и снижает напряжение влияния, при этом электрическое влияние уменьшается с расстоянием намного быстрее магнитного, а последнее зависит еще от проводимости земли. В зависимости от удельной проводимости земли минимальная допустимая ширина сближения воздушной линии с тяговой сетью переменного тока может достигать значений от сотен метров до нескольких километров.

Относ железнодорожных линий связи значительно удорожает их строительство и эксплуатацию, поэтому для снижения влияний часто используют кабельные линии, что особенно эффективно при применении специальной оболочки и брони с повышенными проводимостями. Для уменьшения напряжения влияния до требуемого уровня магистральные кабели связи обычно относят на расстояние 25-100 м от железной дороги. Для уменьшения взаимных и внешних влияний изолированные жилы скручиваются в группы, а также проводятся мероприятия по симметрированию пар в кабелях.

15.2. Защита от влияния грозовых разрядов

Разряды молнии вызывают большие напряжения на воздушных и кабельных линиях связи и на рельсовых цепях автоблокировки. Наиболее опасны прямые удары молнии, которые чаще поражают высокие предметы - опоры воздушных линий, контактную сеть. Поражаются прямыми ударами молнии и кабели в земле, поскольку при протекании в земле большого - до 200 кА - тока молнии образуются ионизированные плазменные каналы, распространяющиеся в области с большой проводимостью. Этими каналами в земле пропахиваются борозды длиной до 30-40 м, и наиболее часто повреждаются кабели в грунтах с малой электропроводностью. При повреждении наблюдаются расплавления оболочки кабеля, повреждения жил, образование вмятин, пробои изоляции жил.

Прямые удары молнии в провода воздушных линий, а также близкие к линиям разряды сопровождаются возникновением и распространением в обе стороны волн перенапряжений небольшой длительности (в десятки микросекунд) с амплитудой, ограниченной электрической прочностью опор и изоляторов (50-200 кВ). Возможен обрыв проводов из-за расплавления металла, повреждения аппаратуры и изоляции кабельных вставок и другие повреждения.

Основные защитные мероприятия этого случая сводятся к следующему:

- выбор трассы с наименьшим количеством ожидаемых повреждений;

- применение кабелей с повышенной проводимостью оболочки;

- отвод тока молнии от подземных кабелей путем прокладки в земле тросов параллельно кабелю на некотором расстоянии от него;

- включение разрядников перед кабельными вставками, аппаратурой, в рельсовых цепях;

- защита молниеотводами отдельных наиболее ответственных опор воздушных линий.

Для защиты линий связи применяются специальные низковольтные разрядники, основные типы которых рассмотрены в следующем разделе.

15.3. Низковольтные разрядники для цепей связи

Разрядник представляет собою устройство минимум с двумя электродами, разделенными газовым промежутком. Один из электродов подключается к проводу защищаемой линии, а другой - к заземлению. Защитное действие разрядника основано на пробое газового промежутка волной перенапряжения, при котором провод соединяется с заземлителем. Очевидно, пробивное напряжение разрядника для эффективной защиты должно быть на 30-50% ниже уровня изоляции защищаемого оборудования. После окончания воздействия перенапряжения разрядник должен разорвать соединение защищаемой цепи с заземлителем.

В низковольтных цепях связи применяют угольные, газонаполненные и вентильные разрядники и искровые промежутки.

Угольные разрядники УР-500 применяют в цепях местной связи. Они представляют собой две угольные колодки, разделенные диэлектрической прокладкой с вырезом, образующим разрядный промежуток. Его пробивное напряжение равно 500+100 В.

Газонаполненный разрядник Р-350 - это стеклянный баллон с двумя электродами, заполненный аргоном. Пробивное напряжение его составляет 350+40 В.

Газонаполненный разрядник Р-35 отличается от Р-350 наличием третьего электрода в баллоне. Два электрода служат для подключения двух проводов линии, третий - для заземления. Такая конструкция обеспечивает хорошее симметрирование пары проводов. Пробивное напряжение 350+40 В.

Газонаполненный двухэлектродный низковольтный разрядник Р-4 имеет пробивное напряжение 70..80 В.

Перечисленные разрядники применяются в цепях, где рабочее напряжение относительно земли не превышает 40 В. При напряжениях выше 40 В между электродами возникает дуга сопровождающего тока и провод оказывается постоянно заземленным. Чтобы этого не случилось, в таких цепях устанавливают низковольтные вентильные разрядники типов РВН-250 (этот разрядник крепится зажимами на гайках), РВНШ-250 (колодка со штепселем), РВНН-250 (разъем ножевого типа), все эти разрядники для цепей напряжением 110/220 В. В цепях напряжением 220/380 В устанавливают разрядники РВН-500. Пробивное напряжение низковольтных вентильных разрядников составляет 700..900 В эффективных (при 50 Гц). Гашение дуги в разрядных промежутках вентильных разрядников происходит потому, что последовательно с разрядными промежутками в них установлены нелинейные вилитовые резисторы, сопротивление которых при рабочем напряжении весьма велико, но сильно снижается при перенапряжении.

Искровые промежутки представляют собою самый незатейливый вид защитного элемента, обладающий весьма плохими характеристиками. Их выполняют на изоляторах воздушных линий из того же провода, что и сами линии.

15.4. Защита от кратковременного индуктивного влияния контактной сети

Перечисленные в предыдущем разделе разрядники (кроме вентильных) обладают довольно низкой пропускной способностью и при сравнительно долговременных (по сравнению с грозовыми перенапряжениями) коротких замыканиях в тяговой сети часто выходят из строя. Для защиты от магнитного влияния при коротком замыкании применяют более мощные газонаполненные разрядники типов РБ-280, РБ-350. Кроме того, используют плавкие предохранители, дренажные катушки, кремниевые стабилитроны, защитные фильтры из дросселей и конденсаторов, а для защиты рельсовых цепей применяют нелинейные выравниватели типов ВК-220, ВК-10, ВС-90 (цифры обозначают номинальное напряжение выравнивателя). Выравниватели - это нелинейные резисторы, резко уменьшающие свои сопротивления при больших напряжениях.

Предохранители типов СН-1.0, СК-1.0 (номинальный ток 1 А) используют в цепях связи для защиты разрядников Р-350, Р-35 от длительно протекающего тока, который может возникнуть при падении на линию связи провода ВЛ 380/220 В, если есть пересечение с такой линией. Пропускная способность предохранителей по грозовым импульсам составляет 1200 А.

Дренажные катушки применяют в высокочастотных цепях для исключения короткого замыкания и потери информации при работе разрядников. Эти катушки представляют собой две одинаковые полуобмотки, намотанные на ферромагнитный сердечник, и включенные так, чтобы они обладали большим сопротивлением для противофазного тока сигнала и легко пропускали бы синфазные токи перенапряжений. Принцип их работы сходен с принципом работы дроссель-трансформатора сигнальной установки автоблокировки, схема защиты которой показана на рис. 44. В этой схеме основными защитными элементами являются вентильные разрядники, заземляемые на рельсы через средние точки дроссель-трансформаторов, а выравниватели ВК-220 защищают оборудование при коротком замыкании в тяговой сети или при асимметрии рельсовой цепи.

Рис. 44

Кремниевые стабилитроны используют для защиты устройств с полупроводниковыми приборами, имеющими электрическую прочность значительно ниже, чем разрядное напряжение разрядников Р-350 или РВН.

15.5. Защита кабельных линий от опасного влияния электрифицированной железной дороги редукционными трансформаторами

Этот способ защиты относится к пассивным способам, уменьшающим влияние на кабельные линии связи за счет увеличения коэффициента экранирования оболочки кабеля. Как показано в разделе 5.2, коэффициент экранирования кабеля определяется выражением (18)

и если увеличить индуктивное сопротивление оболочки кабеля, то его экранирующее действие улучшится. Подобное мероприятие осуществляется включением в разрыв кабельной линии так называемого редукционного трансформатора (рис. 45).

Рис. 45

Трансформатор по рис. 45 включен началами своих обмоток в одну сторону, так что ток полезного сигнала протекает по его обмоткам в противоположных направлениях, а наведенный ток течет и по оболочке, и по жиле в одну сторону, так что в последнем варианте в цепь наведенного тока оказывается включенным большое индуктивное сопротивление трансформатора. Можно пояснить этот эффект и по-другому: при протекании по верхней обмотке трансформатора наведенного тока заземленной оболочки в нижней обмотке возникает напряжение, противофазное наведенному напряжению контура жила - земля. Формула (18) позволяет оценить и вклад дополнительной индуктивности в экранирование:

.

Установка редукционных трансформаторов через 5-10 км снижает коэффициент экранирования примерно в десять раз.

15.6. Применение разделительных трансформаторов

Разбиение двухпроводной линии связи на несколько гальванически не связанных участков с помощью трансформаторов позволяет снизить как опасные, так и мешающие влияния на линию связи. Схема реализации метода показана на рис. 46, на котором показан участок линии связи, разделенный n трансформаторами. Очевидно, что опасные магнитные влияния тяговой сети снижаются в n раз в соответствии с уменьшением длины отдельных участков. Поскольку разделительные трансформаторы вносят дополнительные фазовые сдвиги в наводимые напряжения, улучшают симметрирование цепи и соответственно снижают коэффициент чувствительности, то снижаются и мешающие влияния. С учетом разбросов фаз напряжения, наводимые на отдельных участках, складывают в квадратурах, то есть результирующее напряжение шума, приведенное к началу изображенного на рис. 46 участка, при пренебрежении затуханием вдоль цепи может быть записано так:

,

Рис. 46

если наводимые на отдельных участках напряжения близки друг к другу по величине. При отсутствии трансформаторов наводимое напряжение пропорционально общей длине участка, то есть примерно равно U_ш1*n, так что разделительные трансформаторы снижают напряжение шума примерно в раз.

РЕЗЮМЕ

Мероприятия, осуществляемые в смежной линии, защищают только данную линию, и поэтому их относят к пассивным. Такими мероприятиями являются относ смежной линии от железной дороги, каблирование линии связи, скрещивание проводов, установка разрядников в цепях связи, установка разделительных трансформаторов, включение дренажных катушек с заземленной средней точкой и ограничивающих фильтров, использование редукционных трансформаторов.

Заключение

1. Тяговая сеть электрифицированной железной дороги оказывает электрическое, магнитное и гальваническое влияния на смежные линии. Электрическое влияние обусловлено емкостными связями между контактной сетью и смежным проводом, магнитное влияние возникает из-за переменного магнитного поля, создаваемого током контактной сети, а гальваническому влиянию подвержены цепи, имеющие заземления.

2. В простейшем случае для анализа влияний контактной сети на смежную линию можно воспользоваться П-образной схемой замещения смежного провода с LC-элементами, составленной из двух ячеек. Электрическое влияние контактной сети отображается емкостными элементами, включенными между контактной сетью и смежным проводом, а магнитное - источниками ЭДС. Величины ЭДС источников определяются взаимной индуктивностью между контактной сетью и смежным проводом и током контактной сети.

3. Электрическое влияние контактной сети переменного тока на смежный провод наибольшее при изолированном от земли смежном проводе. Величина напряжения электрического влияния определяется при этом емкостным делителем контактная сеть - смежный провод и смежный провод - земля.

На отключенную незаземленную секцию контактной сети двухпутного участка, электрифицированного по системе 1х25 кВ, наводится примерно 8 кВ со стороны контактной подвески, оставшейся под напряжением. При заземлении отключенной секции с нее будет стекать емкостный ток, составлющий величину около 40 мА с каждого километра отключенной секции.

4. Протекание тока в контактной сети вызывает появление на смежном проводе напряжения магнитного влияния, которое максимально на одном из концов провода при заземлении на другом конце. Рельсы, оболочки кабелей и другие проводящие заземленные объекты снижают напряжение магнитного влияния. Учет экранирующего действия подобных объектов производится введением коэффициента экранирования, показывающего остающуюся долю наводимого напряжения из-за экранирования.

5. Гальванические влияния возникают при контакте протяженных объектов с землей или при наличии металлической связи сосредоточенного объекта с рельсами. Наибольшие неприятности доставляет гальваническое влияние тяговой сети постоянного тока из-за электрокоррозии. Подверженные коррозии анодные зоны подземных сооружений располагаются обычно вблизи тяговых подстанций. Электрокоррозионная опасность существует и для опор контактной сети постоянного тока из-за заземления на рельсы металлических поддерживающих конструкций опоры.

6. Опасные напряжения магнитного влияния на смежных линиях создаются при двух режимах тяговой сети переменного тока: при коротком замыкании и при вынужденном режиме при одностороннем питании межподстанционной зоны. Расчетный ток короткого замыкания определяется как ток двухфазного короткого замыкания и исходя из возможности наибольшего магнитного влияния. Расчетный ток вынужденного режима определяется по максимально допустимой потере напряжения в тяговой сети при заданном числе поездов в зоне. Для упрощения расчетов ступенчатый ток контактной сети заменяется одинаковым по всей длине сближения эквивалентным током.

7. Тяговая сеть 2х25 кВ характеризуется существенно меньшим уровнем наводимых на смежных линиях напряжений по сравнению с тяговой сетью 1х25 кВ. Основная причина этого эффекта - существование в системе проводов тяговой сети 2х25 кВ противофазных токов и напряжений.

8. В системе ДПР-ПР-контактная сеть происходит циркуляция электрической энергии из-за взаимного электрического влияния проводов. Магнитное влияние на линии ПР-ДПР при консольном питании тяги способно сильно изменять напряжения линий ПР-ДПР на удаленном конце.

9. Нормы допустимых опасных влияний определяются в основном степенью опасности наведенного напряжения для человека, а также уровнем изоляции линии и рабочим напряжением линии. Нормы допустимых мешающих влияний определяются допустимым соотношением между напряжением шума и напряжением полезного сигнала в линии связи.

10. При расчете напряжения мешающего влияния на линии связи приходится учитывать большую электрическую длину линии и несинусоидальность влияющего тока, что приводит к необходимости суммирования напряжений влияния на разных участках и к расчету на гармониках. Учитывается обычно только магнитное влияние, а суммирование производится в квадратурах. Возможность расчета на гармониках определяется теоремой Фурье и линейностью цепи, подверженной влиянию. Величины гармоник влияющего тока при расчетах мешающих влияний определяются таблицами и формулами нормативных документов. Для некоторых отдельных случаев расчет гармоник влияющего тока может быть проведен по упрощенным формулам.

11. Мероприятия по защите от влияний разделяются на две группы: пассивные и активные. Активные мероприятия действуют на все смежные линии. К ним относятся применение отсасывающих трансформаторов на дорогах переменного тока и фильтр-устройств на тяговых подстанциях постоянного тока для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Мероприятия, осуществляемые в смежной линии, защищают только данную линию, и поэтому их относят к пассивным. Такими мероприятиями являются относ смежной линии от железной дороги, каблирование линии связи, скрещивание проводов, установка разрядников в цепях связи, установка разделительных трансформаторов, включение дренажных катушек с заземленной средней точкой и ограничивающих фильтров, использование редукционных трансформаторов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог переменного тока. - М.: Транспорт, 1989. - 134 с.

2. Правила защиты устройств проводной связи от влияния тяговой сети электрических железных дорог постоянного тока. - М.: Транспорт, 1977. - 44 с.

3. ЦЭ-518. Инструкция по защите железнодорожных подземных сооружений от коррозии блуждающими токами. - М.: Трансиздат, 1999. - 128 с.

4. Марквардт К.Г. Энергоснабжение электрических железных дорог. - М.: Транспорт, 1965. - 464 с.

5. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982. - 7. Шаров В.И. Влияние электрических железных дорог на смежные линии связи: Методические указания для студентов V-VI курсов и дипломников. - М.: ВЗИИТ, 1986. - Ч.2. - 35 с.

8. Бабаева В.М., Минин Г.А., Семенчук В.П. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине "Влияние электрических железных дорог на смежные устройства". - М.: МИИТ, 1987. - 46 с.

9. Виноградов В.В., Кузьмин В.И., Гончаров А.Я. Линии автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1990. - 231 с.

10. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. В 2 т. - М.: Высшая школа, 1981. - 408 с.

11. Ратнер М.П., Могилевский Е.Л. Электроснабжение нетяговых потребителей железных дорог. - М.: Транспорт, 1985. - 295 с.

12. К-146-96. Указания по техническому обслуживанию и ремонту железобетонных опорных конструкций контактной сети. МПС РФ. - М.: Трансиздат. - 120 с.